JP6559435B2 - 環境認識ユニット及びそれを用いたロボット - Google Patents

Description

本発明は、周囲の環境を認識する環境認識ユニット及びそれを備えたロボットに関する。

従来、人間と同様に、胴体である基体と、基体の上部に設けられた頭部と、基体から延設された腕体と、腕体の先端部に設けられたエンドエフェクタである手部とを備えたロボットがある。

この種ロボットとしては、エンドエフェクタにより作業を行う領域の環境を認識するために、頭部にレーザレンジファインダ（以下、「ＬＲＦ」という。）等の距離センサを用いた環境認識ユニットを配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−２１２８１８号公報

ところで、従来のロボットを人間が操作してロボットのエンドエフェクタによる作業を行う場合には、作業領域の環境認識を十分に行うために、環境認識ユニットにＬＲＦ等の距離センサだけではなくカメラを搭載したいという要望があった。

しかし、カメラを搭載する場合、カメラを冷却するために、環境認識ユニットに十分な冷却機能を持たせる必要がある。

一方、従来のロボットは、雨水等からの防水を考慮して構成されたものではない。そこで、防水性を高めるために、環境認識ユニット全体のフレームの気密性を高めたり、環境認識ユニットを用いたロボット全体をカバーで覆ったりするという方法が考えられる。

しかし、そのような防水方法を用いた場合、フレームの隙間に外部の空気を通すような従来の冷却方法を採用することができないので、フレームの内部に冷却機構を配置せねばならず、装置の大型化を招いてしまうおそれがあった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、コンパクトでありながら、十分な冷却機能と高い防水性を有する小型の環境認識ユニット及びそれを用いたロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の環境認識ユニットは、フレームと、フレーム内部の前方側に配置され、フレームの前方を撮像するカメラと、フレーム内部のカメラよりも後方側に配置され、カメラを制御する制御回路と、フレームの側方に配置された一対の距離センサと、フレームの内部の後方側で、制御回路に隣接するように設けられた第１冷却機構と、フレームの内部の前方側で、カメラに隣接するように設けられた第２冷却機構と、フレーム内に配置され、距離センサの動作を制御する距離センサ用制御回路とを備え、距離センサは、フレームから側方に延びる中空の支持部、支持部の先端部の下方又は上方に取り付けられた駆動部、支持部の駆動部とは反対側にヨー軸周りに回動可能に取り付けられた測定部、及び、駆動部又は測定部と距離センサ用制御回路とを電気的に接続する距離センサ用ハーネスを有し、距離センサ用ハーネスは、支持部の内部を通ってフレーム内に延びていることを特徴とする。

このように、前方をカメラにより撮像するとともに、環境認識ユニットの周囲の環境を一対の距離センサにより認識する構成したことで、環境認識ユニットを大きく動かすことなく、作業領域及び周辺領域の環境を十分に認識することができる。すなわち、このような構成を備えた本発明の環境認識ユニットでは、環境認識ユニットの回動の軸や駆動機構を小さくすることができる。

また、カメラとその制御回路を冷却するために互いに離れるように独立して配置された２つの冷却機構を採用している。これにより、本発明の環境認識ユニットは、フレームの隙間に空気を通して冷却を行う方法を採用しているものに比べて防水性が高く、内部機器の配置自由度が高くコンパクト化が容易な構造を実現している。
また、このように、距離センサ用ハーネスが支持部の内部空間を通る構成にすれば、その内部空間のフレーム側の開口部の孔は水平方向となるので、その開口部からフレームの内部に水が浸入してしまうことがなく、防水性が低下することがない。

したがって、本発明の環境認識ユニットによれば、コンパクトでありながら、十分な冷却機能と高い防水性とを実現することができる。

なお、冷却機構としては、内部に外気が通るダクトや、ラジエータ及びそれに連結され、内部に液体が流れるパイプ等、フレームの内部空間に配置し得るものであればよい。

また、本発明の環境認識ユニットにおいては、フレームの前方を照明する光源を備え、光源は、フレームの内部の第２冷却機構の前方側で、第２冷却機構に隣接するように配置されていることが好ましい。

環境認識ユニットに光源を設ける場合、その光源をカメラの周囲に配置した第２冷却機構の前方側で、第２冷却機構に隣接するように配置すれば、カメラの認識範囲を十分に照らしつつ、光源を効率良く冷却することができる。

また、本発明の環境認識ユニットにおいては、第１冷却機構又は第２冷却機構は、ダクトであり、ダクトの開口部の少なくとも１つは、フレームの下方側又は後方側に位置していることが好ましい。

冷却機構としてダクトを用いた場合、そのダクトをこのように配置すれば、ダクト内に水が流入しにくくなるので、さらに防水性を高めることができる。

また、本発明の環境認識ユニットにおいては、第１冷却機構又は第２冷却機構は、ダクトであり、ダクトの開口部とフレームとの間に取り付けられたシール機構を備えていることが好ましい。

このようなシール機構を備えれば、さらに防水性を高めることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明のロボットは、基体と、上記いずれかの環境認識ユニットと、環境認識ユニットを基体に対して回動可能に連結する連結機構を備えていることを特徴とする。

このように、上記の環境認識ユニットは、ロボットに適用することができる。特に、ロボットが人間の形態を模した二足歩行ロボットである場合には、環境認識ユニットがロボットの頭部となり、連結機構が首関節機構となる。

また、本発明のロボットにおいては、環境認識ユニットは、基体の上方に配置され、連結機構は、環境認識ユニットを基体に対してピッチ軸周り又はロール軸周りに回動可能に連結していることが好ましい。

このように、環境認識ユニットを基体の上方に配置するとともに、基体の面に対して平行な軸（ピッチ軸又はロール軸）の軸周りに回動可能に構成すれば、その軸を伝わって基体の内部に水が浸入しにくくなるので、さらに防水性を高めることができる。

また、本発明のロボットにおいては、複数の可動リンクと、各々の可動リンクを基体に対して回動可能に連結する複数の関節機構とを備え、複数の可動リンクは、基体の上部に左右一対に設けられた腕リンクと、基体の下部に左右一対に設けられた脚リンクを含み、脚リンク又は腕リンクのみによる二足歩行モードと、脚リンク及び腕リンクによる四足歩行モードとを切り替え可能であり、連結機構は、環境認識ユニットを基体に対してピッチ軸周り又はロール軸周りに回動可能となるように連結していることが好ましい。

このように、ロボットが二足歩行モードと四足歩行モードとを切り替えることができるものである場合、二足歩行モード時に基体の上部となっている面は、四足歩行モード時には基体の前面になる。

そこで、環境認識ユニットをピッチ軸周り又はロール軸周りに回動可能なものに構成すれば、いずれのモードの場合であっても、回動の軸が基体の面に対して平行な軸になるので、防水性が低下することがない。

本発明の実施形態に係るロボットの構成を模式的に示す正面図。 図１のロボットの関節機構の自由度を模式的に示す斜視図。 図１のロボットの二足歩行モードで移動している状態を示す側面図。 図１のロボットの四足歩行モードで移動している状態を示す側面図。 図１のロボットの環境認識ユニット及び首関節機構の正面図であり、５ＡはＬＲＦが回動していない状態の場合、５ＢはＬＲＦが回動した状態の場合を示す。 図１のロボットのカメラの撮像範囲及びライトの照射範囲を示す図であり、６Ａは平面図、５６は側面図を示す。 図１のロボットの環境認識ユニット及び首関節機構の平面図であり、７ＡはＬＲＦの測定部が回動していない状態の場合、７Ｂは測定部が後方に回動した状態の場合、７Ｃは測定部が前方に回動した状態の場合を示す。 図１のロボットの環境認識ユニット及び首関節機構の側面図であり、８Ａは環境認識ユニットが基準姿勢にある場合、８Ｂは環境認識ユニットが前方に傾斜した場合、８Ｃは環境認識ユニットが後方に傾斜した場合を示す。 図１のロボットの環境認識ユニットの第１ダクト周辺を断面として示す側面図。 図１のロボットの環境認識ユニットの第１ダクト及び第２ダクトを示す斜視図。 図１のロボットの頭部の第２ダクト周辺を断面として示す正面図。 図１のロボットの距離センサの構造の一部を断面として示す正面図。

以下、図面を参照して、本発明に係るロボットの実施形態を説明する。本実施形態のロボット１は、人型のロボットであり、二足歩行モードと四足歩行モードとを切り替えて移動可能に構成されたものである。

ただし、本発明におけるロボットは、このように構成された人型のロボットに限定されるものではなく、その他の工業用ロボット等、基体と、連結機構と、連結機構を介して基体に連結された環境認識ユニットとを備えたロボットであれば、本実施形態のロボット１とは異なる形態のロボットも含まれるものである。

まず、図１を参照して、本実施形態のロボット１の構成を説明する。

ロボット１の胴体は、上部基体１０と、上部基体１０の下方に配置された下部基体１１と、上部基体１０と下部基体１１との間に設けられた腰関節機構１２とで構成されている。上部基体１０と下部基体１１とは、人間の腰関節に対応する腰関節機構１２を介して、相対的に回動可能に連結されている。

ロボット１の頭部は、周囲の環境を認識するための環境認識装置２０の環境認識ユニット２０ａである。環境認識ユニット２０ａは、上部基体１０の内部に配置された環境認識ユニット用制御回路２０ｂによって制御されている。環境認識ユニット２０ａは、人間の首関節に対応する首関節機構２１（連結機構）を介して、上部基体１０に対して回動可能に連結されている。

なお、本実施形態のロボット１が人型のロボットであるので、人間の頭部に対応する環境認識ユニット２０ａを上部基体１０の上方に設けている。しかし、本発明のロボットの環境認識ユニットは、このような構成に限定されるものではなく、ロボットの使用環境等に応じて、上部基体の上部以外の位置（例えば、上部基体の前方等）に設けてもよい。

ロボット１の左右の腕体は、上部基体１０の上部左右両側から延設された一対の腕リンク３０（可動リンク）である。各々の腕リンク３０は、人間の肩関節に対応する肩関節機構３１を介して、上部基体１０に対して回動可能に連結されている。

腕リンク３０は、人間の上腕に対応する第１腕リンク部３０ａと、人間の前腕に対応する第２腕リンク部３０ｂと、人間の肘関節に対応する肘関節機構３０ｃとで構成されている。第１腕リンク部３０ａは、肩関節機構３１を介して、上部基体１０に対して回動可能に連結されている。第２腕リンク部３０ｂは、肘関節機構３０ｃを介して、第１腕リンク部３０ａに対して回動可能に連結されている。第２腕リンク部３０ｂの先端には、人間の手に対応するハンド部４０が連結されている。

なお、本実施形態のロボット１では、腕体である腕リンク３０を、第１腕リンク部３０ａと、第２腕リンク部３０ｂと、肘関節機構３０ｃとで構成している。しかし、本発明のロボットの腕体は、このような構成に限定されるものではなく、単一のリンク部を有するものであってもよいし、３つ以上のリンク部及び各リンク部を連結する複数の関節部を有するものであってもよい。

ハンド部４０は、エンドエフェクタの一例である。このハンド部４０は、人間の手首関節に対応する手首関節機構４１を介して、腕リンク３０の第２腕リンク部３０ｂに対して回動可能に連結されている。本実施形態のロボット１では、ハンド部４０と腕リンク３０とで、マニピュレータとしてのロボットアームが構成されている。

ロボット１の左右の脚体は、下部基体１１の下部から下方に延設された左右一対の脚リンク５０である。各々の脚リンク５０は、人間の股関節に対応する股関節機構５１を介して、下部基体１１に対して回動可能に連結されている。

脚リンク５０（可動リンク）は、人間の大腿に対応する第１脚リンク部５０ａと、人間の下腿に対応する第２脚リンク部５０ｂと、人間の膝関節に対応する膝関節機構５０ｃとで構成されている。第１脚リンク部５０ａは、股関節機構５１を介して、下部基体１１に対して回動可能に連結されている。第２脚リンク部５０ｂは、膝関節機構５０ｃを介して、第１脚リンク部５０ａに対して回動可能に連結されている。第２脚リンク部５０ｂの先端には、人間の足に対応する足平部６０が連結されている。

なお、本実施形態のロボット１では、脚体である脚リンク５０を、第１脚リンク部５０ａと、第２脚リンク部５０ｂと、膝関節機構５０ｃとで構成している。しかし、本発明のロボットの脚体は、このような構成に限定されるものではなく、単一のリンク部を有するものであってもよいし、３つ以上のリンク部及び各リンク部を連結する複数の関節部を有するものであってもよい。

足平部６０は、人間の足首関節に対応する足首関節機構６１を介して、脚リンク５０の第２脚リンク部５０ｂに対して、回動可能に連結されている。

次に、図２を参照して、本実施形態のロボット１の関節機構の自由度について説明する。

なお、本実施形態の説明では、各関節機構が各部材を回動させる方向は、特にことわらない限り、いずれの関節機構も連結された部材を回動させていない姿勢（以下、「基準姿勢」という。）を基準として説明する。本実施形態のロボット１の場合、基準姿勢は、ロボット１が起立した状態（上部基体１０、下部基体１１、各腕リンク３０及び各脚リンク５０をほぼ鉛直方向に伸ばした状態）となる。

また、本実施形態の説明では、ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸は、それぞれ図２に示すように、ロボット１が基準姿勢のときにおけるロボット１の鉛直方向の軸（Ｚ軸）、左右方向の軸（Ｙ軸）、前後方向の軸（Ｘ軸）を意味する。この場合、ヨー軸は、上部基体１０及び下部基体１１の体幹軸である。

腰関節機構１２は、上部基体１０の下方に配置された第１腰関節機構１２ａと、第１腰関節機構１２ａと下部基体１１との間に配置された第２腰関節機構１２ｂとで構成されている。

第１腰関節機構１２ａは、上部基体１０を、下部基体１１及び第２腰関節機構１２ｂに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。第２腰関節機構１２ｂは、上部基体１０及び第１腰関節機構１２ａを、下部基体１１に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。

首関節機構２１は、環境認識ユニット２０ａを、上部基体１０に対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。

腕リンク３０の肘関節機構３０ｃは、人間の前腕に対応する第２腕リンク部３０ｂを、人間の上腕に対応する第１腕リンク部３０ａに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。

肩関節機構３１は、上部基体１０の鉛直方向の幅及び水平方向の幅の範囲内に位置するように配置された第１肩関節機構３１ａと、第１肩関節機構３１ａの側方であって上部基体１０の外側に配置された第２肩関節機構３１ｂと、第２肩関節機構３１ｂ及び腕リンク３０の第１腕リンク部３０ａの間に配置された第３肩関節機構３１ｃとで構成されている。

ここで、基体の「幅」とは、鉛直方向では、通常使用される状態において、基体の最も高い位置から最も低い位置までの間を指す。同様に、水平方向では、通常使用される状態において、基体の最も前方となる位置から最も後方となる位置までの間、又は、最も右側となる位置から最も左側となる位置までの間を指す。

第１肩関節機構３１ａは、第２肩関節機構３１ｂを、上部基体１０に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第２肩関節機構３１ｂは、第３肩関節機構３１ｃを、第１肩関節機構３１ａに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。第３肩関節機構３１ｃは、腕リンク３０を、第２肩関節機構３１ｂに対してヨー軸周りに回動可能に連結している。

手首関節機構４１は、腕リンク３０の第２腕リンク部３０ｂのハンド部４０側に配置された第１手首関節機構４１ａと、第１手首関節機構４１ａのハンド部４０の間に配置された第２手首関節機構４１ｂとで構成されている。

第１手首関節機構４１ａは、第２手首関節機構４１ｂを、第２腕リンク部３０ｂに対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第２手首関節機構４１ｂは、ハンド部４０を、第１手首関節機構４１ａに対してロール軸周り及びピッチ軸周りに回動可能に連結している。

脚リンク５０の膝関節機構５０ｃは、人間の下肢に対応する第２脚リンク部５０ｂを、人間の大腿に対応する第１脚リンク部５０ａに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。

股関節機構５１は、下部基体１１の下方に配置された第１股関節機構５１ａと、第１股関節機構５１ａの脚リンク５０側に配置された第２股関節機構５１ｂとで構成されている。

第１股関節機構５１ａは、第２股関節機構５１ｂを、下部基体１１に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第２股関節機構５１ｂは、脚リンク５０を、第１股関節機構５１ａに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。

足首関節機構６１は、足平部６０を、第２脚リンク部５０ｂに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。

なお、本発明のロボットにおける腰関節機構、肩関節機構、肘関節機構、手首関節機構、膝関節機構、股関節機構、足首関節機構の構成は、上記の構成に限定されるものではなく、ロボットの用途やロボット内の関節の配置スペースに応じて、適宜変更してよい。例えば、いずれかの関節機構を省略してもよいし、上記以外の関節機構を追加してもよい。

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態のロボット１の２つの歩行モードについて説明する。なお、図３においては、理解を容易にするために、腕リンク３０を図示省略している。

なお、本実施形態の説明において、ハンド部４０又は足平部６０を「接地させる」とは、ハンド部４０又は足平部６０がロボット１に作用する力に抗する接触反力を受けるように、ハンド部４０又は足平部６０を外部環境に接触させることを意味する。

図３に示すように、二足歩行モードでは、一対の脚リンク５０の一方の先端の足平部６０を地面Ａに接地させた状態（その一方の脚リンク５０を支持脚とした状態）で、他方の脚リンク５０の先端の足平部６０を空中移動させ、さらに接地させること（その他方の脚リンク５０を遊脚として動作させること）が繰り返される。この場合、脚リンク５０のそれぞれの遊脚としての動作は、交互に行われる。また、図示省略した腕リンク３０は、非接地状態となっている。

図４に示すように、四足歩行モードでは、腕リンク３０の先端のハンド部４０及び脚リンク５０の先端の足平部６０のうちの２つ又は３つを地面Ａに接地させた状態（その２つ又は３つの腕リンク３０及び脚リンク５０を支持脚とした状態）で、残りの２つ又は１つのハンド部４０又は足平部６０を空中移動させ、さらに接地させること（その残りの２つ又は１つの腕リンク３０又は脚リンク５０を遊脚として動作させること）が繰り返される。この場合、遊脚として動作させる腕リンク３０又は脚リンク５０は、所定の規則で周期的に切り替えられる。

ただし、四足歩行モードの動作は、上記の動作に限定されるものではない。例えば、腕リンク３０の先端のハンド部４０及び脚リンク５０の先端の足平部６０のうちの１つを地面Ａに接地させた状態（その１つのハンド部４０又は足平部６０を支持脚とした状態）で、残りの３つのハンド部４０及び足平部６０を空中移動させ、さらに接地させること（その残りの３つのハンド部４０又は足平部６０を遊脚として動作させること）を繰り返すようにすることも可能である。

また、腕リンク３０の先端のハンド部４０及び脚リンク５０の先端の足平部６０を一斉に空中に移動させて（すなわち、ロボット１をジャンプさせて）、さらに接地させることを繰り返すようにすることも可能である。

次に、図５〜図１２を参照して、本実施形態のロボット１の環境認識装置２０について詳細に説明する。

まず、図５〜図８を参照して、環境認識装置２０の外部環境を認識するための構造について説明する。

図５に示すように、環境認識装置２０は、環境認識ユニット２０ａと、上部基体１０の内部に配置された環境認識ユニット用制御回路２０ｂ（図５では不図示。図１参照。）と、環境認識ユニット２０ａの下面から下方（すなわち、上部基体１０）に向かって延設された首フレーム２０ｃを有している。首フレーム２０ｃが首関節機構２１に回動可能に支持されることによって、環境認識ユニット２０ａは、上部基体１０に対してピッチ軸（Ｙ軸）周りに回動可能となっている。

環境認識ユニット２０ａは、略矩形の頭部フレーム２０１（フレーム）と、頭部フレーム２０１内部の前方側で一列に並ぶように配置された３つのカメラ２０２と、カメラ２０２の間に配置され、ＬＥＤ等で構成された２つのライト２０３（光源）と、カメラ２０２及びライト２０３を保護するために、それらの前方側で頭部フレーム２０１に嵌め込まれた保護ガラス２０４と、頭部フレーム２０１外部の側方に配置された左右一対のＬＲＦ２０５（距離センサ）と、カメラ２０２及びライト２０３の上方側に配置された投光機２０６とを備えている。

図６Ａの平面図に示すように、環境認識ユニット２０ａでは、その前方の外部環境を、３つのカメラ２０２のうちの２つを用いて、奥行きのある画像として撮像する。具体的には、カメラ２０２は、３つのカメラ２０２のうち、紙面上で右端のカメラ２０２の撮像範囲ＩｍＡ１と中央のカメラ２０２の撮像範囲ＩｍＡ２とが重なる領域、及び、中央のカメラ２０２の撮像範囲ＩｍＡ２と紙面上で左端のカメラ２０２の撮像範囲ＩｍＡ３とが重なる領域において立体視を行う。

図６Ａの平面図及び図６Ｂの側面図からもわかるように、ライト２０３は、水平方向及び鉛直方向において、カメラ２０２が立体視を行う領域（撮像範囲ＩｍＡ１と撮像範囲ＩｍＡ２とが重なる領域及び撮像範囲ＩｍＡ２と撮像範囲ＩｍＡ３とが重なる領域）をカバーするように、光を照射する。

なお、上記の撮像範囲ＩｍＡ１，ＩｍＡ２や照明範囲ＩｌＡ１，ＩｌＡ２は、光の照射される方向を示すための一例であり、カメラ２０２の撮像可能な範囲やライト２０３の照明可能な範囲における距離は、カメラ２０２及びライト２０３の性能によって、撮像範囲ＩｍＡ１，ＩｍＡ２及び照明範囲ＩｌＡ１，ＩｌＡ２よりも大きくなり得るものである。

また、図５に示すように、環境認識ユニット２０ａは、頭部フレーム２０１の前方側であって、カメラ２０２及びライト２０３の上方となる位置に、投光機２０６を備えている。投光機２０６は、頭部フレーム２０１の前方の外部環境に所定のパターン（例えば、格子模様）を投影する。環境認識装置２０は、その投影されたパターンをカメラ２０２で撮像し、外部環境の三次元形状の認識を行う。投光機２０６は、カメラ２０２の上方に配置されているので、カメラ２０２と同列又は下方に配置された場合よりも、遠くまでパターンを投影できる。

なお、上記のカメラ２０２、ライト２０３、投光機２０６は一例であり、本発明におけるカメラは、そのようなものに限定されるものではなく、ロボット１の前方の外部環境を認識できるものであればよい。例えば、赤外線センサ等を用いてもよい。

また、本実施形態において、光源であるライト２０３は、実際に光を照射する照射部と排熱の必要な発光部及び制御回路とが一体として構成されており、後述する冷却機構の前方側に隣接するようにして、頭部フレーム２０１の内部の前方側に配置されている。

しかし、異なる構造の光源（例えば、光ファイバやプリズムを用いて発光部及び制御回路と照射部とをつなげている光源等）を用いる場合には、排熱が必要な発光部又は制御回路のみを冷却機構に隣接するように配置するようにしてもよい。その場合、発光部又は制御回路を、冷却機構の後方側や側方側に配置してもよい。

また、環境認識ユニット２０ａでは、その側方の外部環境を、ＬＲＦ２０５によって認識する。ここで、ＬＲＦ（レーザレンジファインダ）とは、照射したレーザ光が外部環境に反射して戻ってくるまでの時間を測定し、その時間に基づいて、外部環境までの距離を測定するものである。

なお、以下の説明においては、レーザ光の照射される範囲の一例を、レーザ光照射範囲ＬＡとして示す。ただし、この範囲は、レーザ光の照射される方向を示すための一例であり、ＬＲＦ２０５の測定可能な範囲における距離は、レーザ光の強度等によって、レーザ光照射範囲ＬＡよりも大きくなり得るものである。

ＬＲＦ２０５は、頭部フレーム２０１から側方に延びる支持部２０５ａと、支持部２０５ａの先端部の下方に取り付けられた駆動部２０５ｂと、支持部２０５ａの先端部の上方に回動可能に取り付けられた測定部２０５ｃとを有している。

駆動部２０５ｂは、アクチュエータ等の駆動源、減速機等で構成され、その駆動力によって、測定部２０５ｃをヨー軸（Ｚ軸）周りに回動させる（図５Ｂ，図７参照。）。

測定部２０５ｃは、レーザ光を照射するとともに、反射されたレーザ光を受光する。

図７Ａに示すように、ＬＲＦ２０５の測定部２０５ｃが回動していない状態の場合には、そのレーザ光照射範囲ＬＡは、環境認識ユニット２０ａの鉛直方向において、頭部フレーム２０１の前後方向に平行な方向（Ｘ軸方向）になっている。

また、ＬＲＦ２０５は、図７Ｂに示すように、測定部２０５ｃを後方に向けて回動させる（紙面上で左側の測定部２０５ｃを反時計回りに回動させ、紙面上で右側の測定部２０５ｃを時計回りに回動させる）ことができる。逆に、図７Ｃに示すように、測定部２０５ｃを前方に向けて回動させる（紙面上で左側の測定部２０５ｃを時計回りに回動させ、紙面上で右側の測定部２０５ｃを反時計回りに回動させる）こともできる。

なお、上記の説明における測定部２０５ｃの回動や図７として示した測定部２０５ｃの回動の角度は、回動途中の状態を示す一例であり、左右の測定部２０５ｃは、周囲の環境を認識するために十分な角度まで回動可能に構成されている。また、左右の測定部２０５ｃは、一方だけが独立して回動することもできるようになっている。

ところで、図８に示すように、環境認識ユニット２０ａは、首関節機構２１によって、上部基体１０に対してピッチ軸（Ｙ軸）周りに回動可能に連結されている。具体的には、図８Ａに示すような基準姿勢の状態から、図８Ｂに示すように環境認識ユニット２０ａを前方に倒した状態（人間が足元を見ている状態に対応している状態）にしたり、図８Ｃに示すように環境認識ユニット２０ａを後方に倒した状態（人間が上方を見上げている状態に対応している状態）にしたりすることができる。

また、ＬＲＦ２０５の認識可能な範囲（すなわち、レーザ光照射範囲ＬＡとして示した扇形の中心角）は、測定部２０５ｃの中心のＹ軸周りに約２７０°となっている。

そのため、環境認識ユニット２０ａでは、ＬＲＦ２０５をヨー軸（Ｚ軸）周りに回動させる（図７参照。）とともに、環境認識ユニット２０ａをピッチ軸（Ｙ軸）周りに回動させる（図８参照）ことによって、環境認識ユニット２０ａのほぼ全周の外部環境を、ＬＲＦ２０５によって認識することができる。

本実施形態のロボット１では、このようなＬＲＦ２０５と前方を立体視するカメラ２０２とを備えているので、前方のみを認識するような環境認識ユニットを有する従来のロボットに比べ、環境認識ユニットを大きく動かすことなく、作業領域及び周辺領域の環境を十分に認識することができる。すなわち、本実施形態のロボット１では、環境認識ユニット２０ａの回動の軸や駆動機構を、従来のロボットに比べて小さくすることができるので、それらと基体との間の隙間を小さくして、高い防水性を実現している。

また、本実施形態のロボット１では、環境認識ユニット２０ａを、上部基体１０の上部に配置された首関節機構２１を介して、ピッチ軸（Ｙ軸）周りにのみ回動するように構成しているので（すなわち、上部基体１０にヨー軸（Ｚ軸）を直接設ける構成ではないので）、軸を伝わって上部基体１０に水が浸入することがない
さらに、本実施形態のロボット１は、二足歩行モードと四足歩行モードとを切り替えることができるものであるので、二足歩行モード時にロボットの上部となっている面は、四足歩行モード時にはロボットの前面となる。しかし、ロボット１は、環境認識ユニット２０ａをピッチ軸周りに回動可能なものに構成しているので（すなわち、いずれのモードの場合であっても、回動の軸が上部基体１０の面に対して平行な軸になるので）、軸を伝わって上部基体１０に水が浸入することがない。

次に、図９〜図１１を参照して、環境認識ユニット２０ａの冷却装置について説明する。

図９に示すように、環境認識ユニット２０ａは、頭部フレーム２０１の内部に、カメラ２０２及び投光機２０６の後方側に配置されたカメラ用制御回路２０７（制御回路）と、カメラ用制御回路２０７に隣接するように設けられた第１ダクト２０８（第１冷却機構）とを備えている。カメラ用制御回路２０７は、本発明におけるカメラであるカメラ２０２及び投光機２０６を制御するための部材である。

図１０に示すように、カメラ用制御回路２０７は、比較的サイズが大きく、発熱量も大きい。そのため、配置するためのスペースに余裕があり、カメラ２０２や投光機２０６から離れた位置である頭部フレーム２０１の後方側に配置されている。

第１ダクト２０８は、断面が矩形の筒状の第１ダクト部２０８ａと、第１ダクト部２０８ａの一端側の開口部に取り付けられた第１導入用ファン２０８ｂ、第１ダクト部２０８ａの他端側の開口部に取り付けられた第１排出用ファン２０８ｃとを有している。

第１ダクト部２０８ａには、カメラ用制御回路２０７が隣接するようにして配置されている。そのため、カメラ用制御回路２０７は、第１ダクト部２０８ａの内部を通る空気によって十分に冷却される。

また、図９に示すように、第１導入用ファン２０８ｂは、頭部フレーム２０１の後方側の下方に位置し、環境認識ユニット２０ａの後方側から第１ダクト部２０８ａの内部へ空気を導く。第１排出用ファン２０８ｃは、頭部フレーム２０１の上面側に形成されたスリット２０１ａの下方に位置し、環境認識ユニット２０ａの上方に空気を排出する（図９の矢印参照。）。そのため、第１ダクト部２０８ａの内部には、水が流入しにくい。

なお、頭部フレーム２０１と第１導入用ファン２０８ｂ及び第１排出用ファン２０８ｃとの間には、ゴムで形成されたＯ−リングである第１ダクト用防水リング２０９（シール機構）が配置されている。この第１ダクト用防水リング２０９によって、頭部フレーム２０１と第１ダクト２０８との間の隙間からの頭部フレーム２０１の内部への水の浸入が防止されている。

図１１に示すように、環境認識ユニット２０ａは、頭部フレーム２０１の内部の前方側に、カメラ２０２及びライト２０３に隣接するように配置された第２ダクト２１０(第２冷却機構)を備えている。また、第２ダクト２１０には、ライト２０３を制御するためのライト用制御回路２１１も隣接するように配置されている。

第２ダクト２１０は、断面が矩形の筒状の第２ダクト部２１０ａと、第２ダクト部２１０ａの一端側（紙面上で左側）の開口部に取り付けられた第２導入用ファン２１０ｂ、第２ダクト部２１０ａの他端側（紙面上で右側）の開口部に取り付けられた第２排出用ファン２１０ｃとを有している。

第２ダクト部２１０ａは、一列に並ぶように配置された３つのカメラ２０２の中央のカメラ２０２を囲むように湾曲しており、その両端の開口部が頭部フレーム２０１の下方側に向くように、配置されている。

また、図１０に示すように、第２ダクト部２１０ａの頭部フレーム２０１の前方側の側面には、ライト２０３が取り付けられている。第２ダクト部２１０ａの頭部フレーム２０１の上方側の側面には、ライト用制御回路２１１が取り付けられている。

第２ダクト部２１０ａに隣接するように配置されているカメラ２０２や、ライト２０３、ライト用制御回路２１１は、第２ダクト部２１０ａに隣接するように配置されているので、第２ダクト部２１０ａの内部を通る空気によって十分に冷却される。

また、図１１に示すように、第２導入用ファン２１０ｂは、頭部フレーム２０１の下面側に位置し、環境認識ユニット２０ａの前方側の下方から、第２ダクト部２１０ａの内部へ空気を導く。第２排出用ファン２１０ｃは、第２導入用ファン２１０ｂと頭部フレーム２０１の下面側で並ぶように位置し、第２ダクト部２１０ａの内部から環境認識ユニット２０ａの前方側の下方に空気を排出する（図１１の矢印参照）。そのため、第２ダクト部２１０ａの内部には、水が流入しにくい。また、発熱量の大きいライト用制御回路２１１の配置位置は、第２ダクト部２１０ａの内部の空気の流れにおける上流側（冷却性能の高い領域）になっている。

なお、頭部フレーム２０１と第２導入用ファン２１０ｂ及び第２排出用ファン２１０ｃとの間には、ゴムで形成されたＯ−リングである第２ダクト用防水リング２１２（シール機構）が配置されている。この第２ダクト用防水リング２１２によって、頭部フレーム２０１と第２ダクト２１０との間の隙間からの頭部フレーム２０１の内部への水の浸入が防止されている。

図１２に示すように、ＬＲＦ２０５は、頭部フレーム２０１から側方に延びる支持部２０５ａと、支持部２０５ａの先端部の下方に取り付けられた駆動部２０５ｂと、支持部２０５ａの先端部の上方に回動可能に取り付けられた測定部２０５ｃとを有している。

支持部２０５ａ及び駆動部２０５ｂの内部には、連通路２０５ｄが形成されている。連通路２０５ｄの内部には、距離センサ用ハーネス２０５ｅが通され、その距離センサ用ハーネス２０５ｅによって、駆動部２０５ｂ及び測定部２０５ｃと頭部フレーム２０１の内部に配置されている距離センサ用制御回路（不図示）とが電気的に接続されている。

連通路２０５ｄは、支持部２０５ａの内部に形成されているので、頭部フレーム２０１側の開口部の孔は水平方向となっている。そのため、開口部から頭部フレーム２０１の内部に水が浸入してしまうことがない。

なお、本実施形態では、駆動部２０５ｂを支持部２０５ａの下方に配置し、測定部２０５ｃを支持部２０５ａの上方に配置している。しかし、駆動部２０５ｂを支持部２０５ａの上方に配置し、測定部２０５ｃを支持部２０５ａの下方に配置してもよい。

本実施形態のロボット１では、カメラ２０２及び投光機２０６とそれらを制御するカメラ用制御回路２０７を冷却するために、互いに離れるように独立して配置された第１ダクト２０８と第２ダクト２１０を採用している。これにより、環境認識ユニット２０ａは、頭部フレーム２０１の隙間に空気を通して冷却を行う方法を採用しているものに比べて防水性が高く、水冷機構等の冷却装置を採用しているものに比べて内部機器の配置自由度が高くコンパクトな構造となっている。

したがって、本実施形態のロボット１の環境認識装置２０の環境認識ユニット２０ａは、コンパクトでありながら、十分な冷却機能と高い防水性とを持つものになっている。

以上、図示の実施形態について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態においては、冷却機構として、第１ダクト２０８や第２ダクト２１０を用いている。しかし、本発明の冷却機構はそのような構成に限定されるものではなく、フレームの内部空間に配置し得るものであればよい。例えば、ラジエータ及びそれに連結され、内部に液体が流れるパイプで構成してもよい。

また、上記実施形態においては、一列に並ぶように配置された３つのカメラ２０２と、その間に配置されたライト２０３と、左右一対のＬＲＦ２０５と、それらの上方に配置された投光機２０６とを備えている。しかし、本発明の環境認識ユニットはそのような構成に限定されるものではない。例えば、カメラ以外のカメラや、ＬＲＦ以外の距離センサを用いてもよい。また、カメラを１つだけ配置してもよいし、光源や投光機を省略してもよい。

また、上記実施形態においては、第１ダクト２０８の第１ダクト部２０８ａの開口部が、環境認識ユニット２０ａの上方及び後方部下方に位置している。また、第２ダクト２１０の第２ダクト部２１０ａの開口部が、環境認識ユニットの前方側の下方に位置している。しかし、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、それらの開口部が他の方向を向くように配置されていてもよい。

また、上記実施形態においては、頭部フレーム２０１と第１ダクト２０８及び第２ダクト２１０との間に、シール機構としてゴム製のＯ−リングである第１ダクト用防水リング２０９及び第２ダクト用防水リング２１２を配置している。しかし、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、シール機構を省略してもよい。また、省略する場合には、頭部フレームと第１ダクト及び第２ダクトとを一体的に構成することが好ましい。また、シール機構としては、ゴム製のＯ−リングの他、接着剤による接着、かしめ、圧入、ネジ止め等を用いて構成したものを用いてもよい。

また、上記実施形態においては、首関節機構２１は、環境認識ユニット２０ａを、ピッチ軸周りに回動可能に連結している。しかし、本発明はそのような構成に限定されるものではなく、連結機構は、基体の上方に取り付けられ、基体の環境認識ユニット側の面に対して平行な軸を軸として回動可能となるように環境認識ユニットを、基体に連結するものであればよい。すなわち、環境認識ユニットをロール軸周りに回動可能に連結してもよい。

また、上記実施形態においては、第１ダクト２０８では、環境認識ユニット２０ａの後方側の下方から空気を導入し、上方へ空気を排出している。また、第２ダクト２１０では、環境認識ユニット２０ａの下面側の図１１の紙面上で左方側から空気を導入し、右方側へ空気を排出している。しかし、本発明の第１ダクト及び第２ダクトは、そのようなものに限定されるものではなく、上方から下方へ空気が通るものであってもよいし、右方から左方へ空気が通るものであってもよい。

１…ロボット、１０…上部基体、１１…下部基体、１２…腰関節機構、１２ａ…第１腰関節機構、１２ｂ…第２腰関節機構、２０…環境認識装置、２０ａ…環境認識ユニット、２０ｃ…首フレーム、２０ｂ…環境認識ユニット用制御回路、２１…首関節機構（連結機構）、３０…腕リンク（可動リンク）、３０ａ…第１腕リンク部、３０ｂ…第２腕リンク部、３０ｃ…肘関節機構、３１…肩関節機構、３１ａ，３１ｄ…第１肩関節機構、３１ｂ…第２肩関節機構、３１ｃ…第３肩関節機構、４０…ハンド部、４１…手首関節機構、４１ａ…第１手首関節機構、４１ｂ…第２手首関節機構、５０…脚リンク（可動リンク）、５０ａ…第１脚リンク部、５０ｂ…第２脚リンク部、５０ｃ…膝関節機構、５１…股関節機構、５１ａ…第１股関節機構、５１ｂ…第２股関節機構、６０…足平部、６１…足首関節機構、２０１…頭部フレーム（フレーム）、２０１ａ…スリット、２０２…カメラ、２０３…ライト（光源）、２０４…保護ガラス、２０５…ＬＲＦ（距離センサ）、２０５ａ…支持部、２０５ｂ…駆動部、２０５ｃ…測定部、２０５ｄ…連通路、２０５ｅ…距離センサ用ハーネス、２０６…投光機、２０７…カメラ用制御回路（制御回路）、２０８…第１ダクト（第１冷却機構）、２０８ａ…第１ダクト部、２０８ｂ…第１導入用ファン、２０８ｃ…第１排出用ファン、２０９…第１ダクト用防水リング（シール機構）、２１０…第２ダクト（第２冷却機構）、２１０ａ…第２ダクト部、２１０ｂ…第２導入用ファン、２１０ｃ…第２排出用ファン、２１１…ライト用制御回路、２１２…第２ダクト用防水リング（シール機構）、ＩｌＡ１，ＩｌＡ２…照明範囲、ＩｍＡ１，ＩｍＡ２，ＩｍＡ３…撮像範囲、ＬＡ…レーザ光照射範囲、Ａ…地面。

Claims (7)

1. フレームと、
   前記フレーム内部の前方側に配置され、前記フレームの前方を撮像するカメラと、
   前記フレーム内部の前記カメラよりも後方側に配置され、前記カメラを制御する制御回路と、
   前記フレームの側方に配置された一対の距離センサと、
   前記フレームの内部の後方側で、前記制御回路に隣接するように設けられた第１冷却機構と、
   前記フレームの内部の前方側で、前記カメラに隣接するように設けられた第２冷却機構と、
   前記フレーム内に配置され、前記距離センサの動作を制御する距離センサ用制御回路とを備え、
   前記距離センサは、前記フレームから側方に延びる中空の支持部、前記支持部の先端部の下方又は上方に取り付けられた駆動部、前記支持部の前記駆動部とは反対側にヨー軸周りに回動可能に取り付けられた測定部、及び、前記駆動部又は前記測定部と前記距離センサ用制御回路とを電気的に接続する距離センサ用ハーネスを有し、
   前記距離センサ用ハーネスは、前記支持部の内部を通って前記フレーム内に延びていることを特徴とする環境認識ユニット。
2. 請求項１に記載の環境認識ユニットであって、
   前記フレームの前方を照明する光源を備え、
   前記光源は、前記フレームの内部の前記第２冷却機構の前方側で、前記第２冷却機構に隣接するように配置されていることを特徴とする環境認識ユニット。
3. 請求項１又は請求項２に記載の環境認識ユニットであって、
   前記第１冷却機構又は前記第２冷却機構は、ダクトであり、
   前記ダクトの開口部の少なくとも１つは、前記フレームの下方側又は後方側に位置していることを特徴とする環境認識ユニット。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の環境認識ユニットであって、
   前記第１冷却機構又は前記第２冷却機構は、ダクトであり、
   前記ダクトの開口部と前記フレームとの間に取り付けられたシール機構を備えていることを特徴とする環境認識ユニット。
5. 基体と、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の環境認識ユニットと、前記環境認識ユニットを前記基体に対して回動可能に連結する連結機構とを備えていることを特徴とするロボット。
6. 請求項５に記載のロボットであって、
   前記環境認識ユニットは、前記基体の上方に配置され、
   前記連結機構は、前記環境認識ユニットを前記基体に対してピッチ軸周り又はロール軸周りに回動可能に連結していることを特徴とするロボット。
7. 請求項５又は請求項６に記載のロボットであって、
   複数の可動リンクと、各々の前記可動リンクを前記基体に対して回動可能に連結する複数の関節機構とを備え、
   前記複数の可動リンクは、前記基体の上部に左右一対に設けられた腕リンクと、前記基体の下部に左右一対に設けられた脚リンクを含み、
   前記脚リンク又は前記腕リンクのみによる二足歩行モードと、前記脚リンク及び前記腕リンクによる四足歩行モードとを切り替え可能であり、
   前記連結機構は、前記環境認識ユニットを前記基体に対してピッチ軸周り又はロール軸周りに回動可能となるように連結していることを特徴とするロボット。